(57)【要約】【課題】燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量が減少するときにおいて、サージ現象を抑制するのに有利な燃料電池システムを提供する。【解決手段】燃料電池システムは、燃料電池１の燃料極１１に供給される燃料が流れる燃料通路２と、燃料電池１の酸化剤極１２に酸化剤ガスを供給するための酸化剤通路３と、酸化剤通路３において燃料電池１の上流に設けられた遠心式コンプレッサ４とを有する。遠心式ガス搬送源４は、吸引室４０４と吐出室４０５と中間通路４０６とを有するハウジング４０と、ハウジング４０の吸引室４０４に回転可能に設けられ回転に伴い吸引室４０４から吸引した酸化剤ガスを遠心方向に流すインペラ羽根４３を有するインペラ部４２と、インペラ部４２を回転させる駆動部４５と、インペラ部４２の外周部４２ａに沿った位置とインペラ部４２の放射方向に沿った位置とに切り替え可能に中間通路４０６に設けられた揺動羽根４６と、揺動羽根４６を揺動させる羽根駆動部５とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
燃料極および酸化剤極をもつ燃料電池と、前記燃料極に供給される燃料が流れる燃料通路と、前記酸化剤極に酸化剤ガスを供給すると共に前記酸化剤極から排出された酸化剤オフガスを通過させる酸化剤通路と、前記酸化剤通路において前記燃料電池の上流に設けられ前記酸化剤ガスを前記酸化剤極に搬送させる遠心式ガス搬送源とを具備しており、
前記遠心式ガス搬送源は、
吸引室と吐出室と前記吸引室および前記吐出室を連通する中間通路とを有するハウジングと、前記吸引室に回転可能に設けられ回転に伴い前記吸引室から吸引した前記酸化剤ガスを遠心方向に流すインペラ羽根を有するインペラ部と、前記インペラ部を回転させる駆動部と、前記インペラ部の外周部に沿った位置と前記インペラ部の放射方向に沿った位置とに切り替え可能に前記中間通路に設けられた揺動羽根と、前記揺動羽根をそれぞれの前記位置に切り替えるための羽根駆動部とを具備する燃料電池システム。
【請求項２】
請求項１において、前記羽根駆動部は、空間をもつ壁部材と前記空間を第１室と第２室を仕切り且つ前記第１室および前記第２室の差圧に応じて動作する可動部とを有する作動機構と、前記作動機構の前記可動部に接続され前記可動部の動作に応じて前記揺動羽根を揺動させる動力伝達部とを有する燃料電池システム。
【請求項３】
請求項２において、前記酸化剤通路は、前記燃料電池の上流に位置する上流通路と、前記燃料電池の下流に位置する下流通路と、前記下流通路に設けられ入口側の一次圧に対して出口側の二次圧を調整する調圧部とを有しており、
前記調圧部の一次圧は前記作動機構の前記第１室および前記第２室のうちの一方に作用し、且つ、前記調圧部の二次圧は前記作動機構の前記第１室および前記第２室のうちの他方に作用する燃料電池システム。
【請求項４】
請求項２または３において、前記可動部は、前記壁部材に固定された外縁部と前記第１室に対面する第１表面と前記第２室に対面する第２表面とを有する弾性変形可能なダイヤフラムを備えている燃料電池システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、酸化剤通路において酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤極に搬送させるガス搬送源を有する燃料電池システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
燃料電池は、燃料極および酸化剤極をもつ燃料電池と、燃料電池の燃料極に供給される燃料が流れる燃料通路と、燃料電池の酸化剤極に酸化剤ガスを供給すると共に燃料電池の酸化剤から排出された酸化剤オフガスを通過させる酸化剤通路と、酸化剤通路において燃料電池の上流に設けられ酸化剤ガスを燃料電池の酸化剤極に搬送させるガス搬送源とを有する（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００７−１９４０８０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
上記した特許文献に係る燃料電池システムによれば、燃料電池における発電負荷が減少して、燃料電池に供給される酸化剤ガスの単位時間あたりの流量が減少するとき、ガス搬送源から吐出される酸化剤ガスの単位時間あたりの流量を減少させるが、この場合に、ガス搬送源にサージ現象が発生する可能性がある旨が記載されている。ここで、サージ現象とは、酸化剤ガスが良好に圧縮されず、ガス搬送源の二次側から一次側に逆流することをいう。場合によっては、サージ現象によってガス搬送源またはその配管に有害振動が発生することがある。従って、燃料電池システムにおいては、このようなサージ現象を抑制することが要請されている。
【０００４】
本発明は上記した実情に鑑みてなされたものであり、燃料電池に供給される酸化剤ガスの単位時間あたりの流量が減少するときのように、サージ現象が発生し易いときにおいて、サージ現象を抑制するのに有利な燃料電池システムを提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明者は燃料電池システムについて鋭意開発を進めている。そして、ターボコンプレッサ、ターボブロア等の遠心式ガス搬送源において、インペラ部からこれの径外方向に遠ざかる方向および径内方向に近づく方向に揺動可能となるように揺動羽根を設け、燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量が減少する低流量のときにおいて、揺動羽根をインペラ部の外周部に対応するように作動させれば、サージ現象を抑制するのに有利であることを知見し、試験で確認し、本発明を完成させた。
【０００６】
すなわち、様相１に係る燃料電池システムは、燃料極および酸化剤極をもつ燃料電池と、燃料極に供給される燃料が流れる燃料通路と、酸化剤極に酸化剤ガスを供給すると共に酸化剤極から排出された酸化剤オフガスを通過させる酸化剤通路と、酸化剤通路において燃料電池の上流に設けられ酸化剤ガスを酸化剤極に搬送させる遠心式ガス搬送源とを具備しており、遠心式ガス搬送源は、吸引室と吐出室と吸引室および吐出室を連通する中間通路とを有するハウジングと、ハウジングの吸引室に回転可能に設けられ回転に伴い吸引室から吸引した酸化剤ガスを遠心方向に流すインペラ羽根を有するインペラ部と、インペラ部を回転させる駆動部と、インペラ部の外周部に沿った位置とインペラ部の放射方向に沿った位置とに切り替え可能に中間通路に設けられた揺動羽根と、揺動羽根をそれぞれの位置に切り替えるための羽根駆動部とを具備する。
【０００７】
遠心式ガス搬送源としては、ターボ圧縮機、ターボブロア等が挙げられる。揺動羽根は、インペラ部の外周部に沿った位置と、インペラ部の放射方向に沿った位置とに切り替え可能にされた状態で、中間通路に設けられている。
【０００８】
サージ現象が発生し易いときにおいて、すなわち、燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量が減少して低流量のときにおいて、殊に、燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量が減少して低流量で、且つ、ガス搬送源の吐出圧／吸引圧の比率である圧力比が高いときにおいて、揺動羽根は、インペラ部の外周部に沿った位置に切り替えられる。この結果、上記した条件のときにおいてサージ現象が抑制される。
【０００９】
これに対して、サージ現象が発生し難いときにおいて、すなわち、燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量が増加して高流量のときにおいて、殊に、燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量が増加して高流量で、且つ、ガス搬送源の吐出圧／吸引圧の比率である圧力比が低いときにおいて、揺動羽根は、インペラ部の放射方向に沿った位置に切り替えられる。この場合、インペラ部から送給される酸化剤ガスは円滑に放射方向に沿って流れることができる。
【００１０】
様相２に係る燃料電池システムは、上記様相において、羽根駆動部は、空間をもつ壁部材と空間を第１室と第２室を仕切り且つ第１室および第２室の差圧に応じて動作する可動部とを有する作動機構と、作動機構の可動部に接続され可動部の動作に応じて揺動羽根を揺動させる動力伝達部とを有する。作動機構の第１室および第２室の差圧に応じて作動機構の可動部が動作し、可動部の動作に応じて揺動羽根が揺動することができる。可動部としては膜状のダイヤフラムまたはピストンが例示される。
【００１１】
様相３に係る燃料電池システムは、上記様相において、酸化剤通路は、燃料電池の上流に位置する上流通路と、燃料電池の下流に位置する下流通路と、下流通路に設けられ入口側の一次圧に対して出口側の二次圧を調整する調圧部とを有しており、調圧部の一次圧は作動機構の第１室および第２室のうちの一方に作用し、且つ、調圧部の二次圧は作動機構の第１室および第２室のうちの他方に作用する。
【００１２】
ここで本様相によれば、調圧部の一次圧は、作動機構の第１室および第２室のうちの一方に作用する。調圧部の二次圧は、作動機構の第１室および第２室のうちの他方に作用する。調圧部の一次圧は、調圧部の二次圧よりも相対的に高い。調圧部の二次圧は調圧部の一次圧よりも相対的に低い。これにより作動機構の第１室および第２室において差圧が生成される。調節部としては、出口側の二次圧をい入口側の一次圧よりも相対的に低くできるものであれば、何でも良く、調圧バルブ、可変絞り等が挙げられる。
【００１３】
ところで、前述したように、第１室および第２室の差圧に基づいてピストンを往復移動させる構造も考えられる。この場合、第１室および第２室の差圧に基づいてピストンは往復移動することができる。この場合、ピストンが移動するときにおけるピストンの摩擦抵抗が無視できない。
【００１４】
この点について、様相４に係る燃料電池システムは、上記様相において、可動部は、壁部材に固定された外縁部と第１室に対面する第１表面と第２室に対面する第２表面とを有する弾性変形可能なダイヤフラムを備えている。揺動羽根を揺動させるにあたり、第１室および第２室の差圧に基づいて、ダイヤフラムは弾性変形する。ピストンの往復移動に比較すると、ダイヤフラムの弾性変形は摩擦抵抗を少なくできる。このため、第１室および第２室の差圧に基づいてダイヤフラムは弾性変形し易くなり、羽根駆動部を駆動させるロスが低減される。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量が減少するときにおいてサージ現象を抑制するのに有利な燃料電池システムを提供することができる。殊に、燃料電池に供給される酸化剤ガスの流量が減少するときで、且つ、ガス搬送源の吐出圧／吸引圧の比率である圧力比が高いときにおいて、サージ現象を抑制するのに有利な燃料電池システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
（実施形態１）
以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。燃料電池システムは、車両に搭載されるタイプ、または、定置用のタイプである。燃料電池システムは、図１に模式的に示すように、イオン伝導膜１０を挟む燃料極１１および酸化剤極１２をもつ膜電極接合体を有する燃料電池１と、燃料電池１の燃料極１１に供給される燃料（例えば水素ガスまたは水素含有ガス）が流れる燃料通路２と、燃料電池１の酸化剤極１２に酸化剤ガス（例えば酸素含有ガスまたは酸素ガス）を供給すると共に燃料電池１の酸化剤極１２から排出された酸化剤オフガスを通過させる酸化剤通路３と、酸化剤通路３において燃料電池１の上流に設けられ酸化剤ガスを燃料電池１の酸化剤極１２に搬送させる遠心式コンプレッサ４（遠心式ガス搬送源）とを有する。
【００１７】
燃料電池１に搭載されているイオン伝導膜１０は、炭化フッ素系または炭化水素系の固体高分子型でも、ガラス質等の無機材料型でも、有機材料と無機材料を混合させた混合型でも良い。膜電極接合体はシート型でも良いし、チューブ型でも良い。燃料通路２の上流端２ａは燃料供給源２２に繋がる。燃料供給源２２は燃料を貯蔵する燃料タンクでも良いし、原料を改質して燃料を生成させる改質装置でも良い。燃料通路２において、燃料電池１の燃料極１１と燃料供給源２２との間に開閉バルブ２４が設けられている。
【００１８】
図２は遠心式コンプレッサ４の断面を模式的に示す。図２に示すように、遠心式コンプレッサ４は、ハウジング４０と、複数のインペラ羽根４３を有するインペラ部４２と、インペラ部４２の中央域に取り付けられたシャフト４４と、インペラ部４２を回転させる駆動部４５と、複数の揺動羽根４６とを有する。ハウジング４０は第１ハウジング４０１と第２ハウジング４０２とを有する。第１ハウジング４０１は、空気である酸化剤ガスを吸引する吸引室４０４と、酸化剤ガスを吐出する吐出室４０５と、吸引室４０４および吐出室４０５を連通させる中間通路４０６とを有する。
【００１９】
中間通路４０６はデフューザ通路とも呼ばれるものであり、インペラ部４２の半径方向に沿って延設されており、インペラ部４２の軸心Ｍ１の回りを１周している。吐出室４０５は、インペラ部４２の外周部４２ａに沿ってインペラ部４２の回りにスパイラル的に形成されている。シャフト４４は、転動体４８を有する軸受４７により回転可能にハウジング４０に支持されている。第２ハウジング４０２は機構室４０８を有する。
【００２０】
図２に示すように、インペラ羽根４３を有するインペラ部４２は、ハウジング４０の吸引室４０４において軸心Ｍ１回りで回転可能に設けられている。駆動部４５はインペラ部４２を回転させるものである。駆動部４５は、シャフト４４のうち軸長方向においてインペラ部４２と反対側に設けられ永久磁石４５１を有するロータ４５２と、ロータ４５２の外周側に設けられたステータ４５３とを有する。ロータ４５２およびステータ４５３は、第２ハウジング４０２の機構室４０８内に配置されている。ステータ４５３は、固定鉄心４５４と、固定鉄心４５４に巻回された励磁コイル４５５とを有する。励磁コイル４５５に励磁電流が通電されると、ロータ４５２の周囲に回転磁界が発生し、ロータ４５２がシャフト４４と共に回転し、インペラ部４２がこれの軸心Ｍ１の回りで回転する。回転に伴い吸引室４０４から矢印Ｗ１方向に沿って吸引した酸化剤ガスがインペラ部４２の外周部４２ａに向けて流れ、更に、中間通路４０６を介して吐出室４０５に流れ、ひいては燃料電池１の酸化剤極１２に供給される。燃料電池１は、コンプレッサ４よりも下流に位置する下流機器として機能できる。
【００２１】
ここで、インペラ部４２が軸心Ｍ１の回りで回転すると、吸引室４０４から吸引された酸化剤ガスは、インペラ部４２の外周部４２ａの接線方向および放射方向で規定される方向に向けて送給される。更に酸化剤ガスは、ハウジング４０の中間通路４０６を外向きに流れ、吐出室４０５を流れる。なお、インペラ部４２は例えば１ｋ〜２００ｋ［ｒ．ｐ．ｍ］、殊に、１０ｋ〜１００ｋ［ｒ．ｐ．ｍ］で回転することができる。
【００２２】
図２に示すように、揺動羽根４６は、ハウジング４０の中間通路４０６内に設けられている。揺動羽根４６は、インペラ部４２の軸心Ｍ１（シャフト４４の軸心Ｍ１と同一）の回りを包囲するように、インペラ部４２の軸心Ｍ１の回りに複数個設けられている。
【００２３】
図３に示すように、揺動羽根４６は、インペラ部４２の外周部４２ａに対面する内面４６ｉと、インペラ部４２の外周部４２ａに背向するようにインペラ部４２の外周部４２ａに対して逆側に形成された外面４６ｏとを有する。揺動羽根４６の内面４６ｉは、断面で、インペラ部４２の外周部４２ａから退避するように円弧凹状をなす。揺動羽根４６の外面４６ｏは、断面で、インペラ部４２の外周部４２ａから退避するように円弧凸状をなす。揺動羽根４６の羽根長さ方向の基端部４６ｃは、インペラ部４２の径方向において揺動可能に枢支軸４６ｅによって枢支されている。従って、揺動羽根４６の羽根長さ方向の一端部４６ａは、インペラ部４２の外周部４２ａからこれの径外方向に遠ざかる方向と、外周部４２ａに対して径内方向に近づく方向とに揺動可能とされている。
【００２４】
図３に示すように、羽根駆動部５が設けられている。羽根駆動部５は作動機構５０と動力伝達部５５とを有する。作動機構５０は、空間５００をもつ壁部材５０１と、壁部材５０１の空間５００を第１室５０２と第２室５０３を仕切る可動部５０４とを有する。可動部５０４は、膜状をなす弾性材料を基材として形成された膜状をなすダイヤフラム５０５と、ダイヤフラム５０５に連動するようにダイヤフラム５０５に連結されたロッド部５０６（連結部）とを有する。第１室５０２および第２室５０３の差圧ΔＰに応じて、即ち、ＦＡおよびＦＢの差に応じて、ダイヤフラム５０５は弾性変形し、ダイヤフラム５０５の中央部は矢印Ｘ１方向または矢印Ｘ２方向に動作することができる。なお、ダイヤフラム５０５の外縁部５０５ｗは壁部材５０１で挟持されている。
【００２５】
動力伝達部５５は、作動機構５０の可動部５０４のロッド部５０６に枢支具５５ｃを介して接続されており、可動部５０４のロッド部５０６の動作に応じて揺動羽根４６を揺動させる。具体的には、動力伝達部５５は、インペラ部４２の外周部４２ａに沿って配置された弧状をなす作動体５５１と、作動体５５１に設けられたピン状をなす係合部５５３とを有する。作動体５５１は、インペラ部４２の外周部４２ａを覆うようにインペラ部４２の軸心Ｍ１の回りで回動可能に設けられている。揺動羽根４６には溝状をなす被係合部４６３が揺動羽根４６の長さ方向に沿って延設されている。ピン状の係合部５５３が溝状の被係合部４６３に沿って移動できるように、係合部５５３および被係合部４６３が嵌合している。第２室５０３には調整バネ５５５が圧縮状態に配置されている。通常時において揺動羽根４６が所望の揺動角度となるように、調整バネ５５５のバネ力は設定されている。調整バネ５５５はコイル状とされているが、これに限定されるものではなく、板バネ、皿バネでも良い。なお、図３は、揺動羽根４６の一部および作動体５５１の一部のみを図示しているが、これに限らず、揺動羽根４６および作動体５５１は、インペラ部４２の外周部４２ａの周方向に沿って配設されているものである。
【００２６】
ここで、図３において、第１室５０２の圧力ＰＡは、付勢力ＦＡとしてダイヤフラム５０５の第１表面５０５ｆに作用する。また、第２室５０３の圧力ＰＢと調整バネ５５５の付勢力ＦＡとの総和は、付勢力ＦＢとしてダイヤフラム５０５の第２表面５０５ｓに作用する。ここで、ＦＡがＦＢよりも大きい条件（ＦＡ＞＞ＦＢ）であれば、ダイヤフラム５０５およびロッド部５０６は、矢印Ｘ１方向（揺動羽根４６の一端部４６ａをインペラ部４２の外周部４２ａに向けて位置２，３よりも相対的に接近させ、揺動羽根４６の一端部４６ａを閉じる方向）に動作し、作動体５５１がインペラ部４２の軸心Ｍ１の回りで一方向（矢印Ｎ１方向）に作動し、ピン状の係合部５５３が溝状の被係合部４６３に沿って移動し、揺動羽根４６の一端部４６ａがインペラ部４２の外周部４２ａに接近し、ひいては、揺動羽根４６の内面４６ｉがインペラ部４２の外周部４２ａを覆うように、揺動羽根４６が枢支軸４６ｅを中心として矢印Ｙ１方向に揺動し、揺動羽根４６は位置１となる（図５（Ａ）参照）。
【００２７】
また、付勢力ＦＡが付勢力ＦＢよりも小さい条件（ＦＡ＜ＦＢ）であれば、つまり、付勢力ＦＢが付勢力ＦＡよりも大きい条件であれば、ダイヤフラム５０５およびロッド部５０６は矢印Ｘ２方向（揺動羽根４６の一端部４６ａをインペラ部４２の外周部４２ａから相対的に遠ざけ、揺動羽根４６の一端部４６ａを開放させる方向）に動作し、作動体５５１がインペラ部４２の軸心Ｍ１の回りで逆方向（矢印Ｎ２方向）に作動し、ピン状の係合部５５３が溝状の被係合部４６３に沿って逆方向に移動する。この結果、揺動羽根４６の一端部４６ａがインペラ部４２の外周部４２ａから遠ざかるように、揺動羽根４６の一端部４６ａが枢支軸４６ｅを中心として矢印Ｙ２方向に揺動し、揺動羽根４６はインペラ部４２の中心に対して放射方向に近づき、位置２となる（図５（Ｃ）参照）。
【００２８】
なお、付勢力ＦＡおよび付勢力ＦＢが釣り合った位置で、揺動羽根４６の一端部４６ａが枢支軸４６ｅを中心として矢印Ｙ１，Ｙ２方向に揺動し、揺動羽根４６の一端部４６ａは位置３となる（図５（Ｂ）参照）。
【００２９】
図１に示すように、酸化剤通路３は、燃料電池１の酸化剤極１２よりも上流に位置する上流通路３０と、燃料電池１の酸化剤極１２よりも下流に位置する下流通路３２と、下流通路３２に設けられた調圧部３５を有する。調圧部３５は調圧弁で形成されている。なお貯圧部３５をオリフィスで形成しても良いし、オリフィスとバルブとで形成しても良い。
【００３０】
調圧部３５は、流路断面積が可変な絞り流路を有しており、制御装置９０の指令に基づいて絞り流路の流路断面積を可変に変化させることができる。図１に示すように、調圧部３５の入口側の一次圧Ｐ１は、第１通路３５ｆを介して第１室５０２に供給される。また、調圧部３５は圧力損失を発生させる機能を有するため、調圧部３５の出口側の二次圧Ｐ２は、一次圧Ｐ１よりも低い圧力であり、第２通路３５ｓを介して第２室５０３に供給される。
【００３１】
制御装置９０からの指令に基づいて調圧部３５が作動すると、調圧部３５の入口側の一次圧Ｐ１に対して調圧部３５の出口側の二次圧Ｐ２が一次圧Ｐ１よりも低い範囲内において無段階的にまたは段階的に可変に調整される（Ｐ２＜Ｐ１）。調圧部３５の一次圧Ｐ１は、作動機構５０の第１室５０２に作用して第１室５０２の圧力ＰＡとなる。調圧部３５の二次圧Ｐ２は、作動機構５０の第２室５０３に作用して第２室５０３の圧力ＰＢとなる。
【００３２】
図４は、遠心式コンプレッサ４の運転特性を示す。図４の横軸は、燃料電池システムにおける燃料電池１の酸化剤極１２に供給される酸化剤ガスの単位時間あたりの流量を示す。図４の縦軸は、遠心式コンプレッサ４における圧力比を示す。ここで、遠心式コンプレッサ４の吐出圧をＰＥとし、遠心式コンプレッサ４の吸入圧をＰＩとすると、遠心式コンプレッサ４の圧力比はＰＥ／ＰＩの比率を意味する。図４において２０，４０，６０，８０はインペラ部４２の単位時間あたりの回転数の相対値を示す。図４において、Ｓ１はサージ特性線を示す。サージ特性線Ｓ１よりも低流量の領域Ｓ２では、サージ現象が発生する頻度が高くなる。殊に、サージ特性線Ｓ１よりも低流量の領域Ｓ２で、且つ、遠心式コンプレッサ４における圧力比が高いときには、サージ現象が発生する頻度が高まるおそれがある。このようにサージ現象が発生すると、遠心式コンプレッサ４のインペラ部４２から中間通路４０６に吐出される酸化剤ガスがインペラ部４２に向けて逆流するおそれがある。場合によっては、インペラ部４２およびこれに繋がる配管に有害振動が発生するおそれがあり、好ましくない。
【００３３】
これに対して、サージ特性線Ｓ１よりも高流量の領域Ｓ３では、遠心式コンプレッサ４のインペラ部４２から中間通路４０６に酸化剤ガスが良好に送給され、サージ現象は発生しにくくなる。殊に、サージ特性線Ｓ１よりも高流量の領域Ｓ３で、且つ、遠心式コンプレッサ４における圧力比が低いときには、インペラ部４２から中間通路４０６に酸化剤ガスが良好に送給されるため、サージ現象が発生する頻度が低下する。
【００３４】
さて、前述したように、燃料電池１の酸化剤極１２に供給される酸化剤ガスの流量が低流量のときには、サージ現象が発生するおそれがある。殊に、燃料電池１の酸化剤極１２に供給される酸化剤ガスの流量が低流量で、且つ、遠心式コンプレッサ４における圧力比が高い運転条件１のときには、サージ現象が発生する頻度が高くなる。この点本実施形態によれば、燃料電池１の酸化剤極１２に供給される酸化剤ガスの流量が低流量のときにおいて、殊に、燃料電池１の酸化剤極１２に供給される酸化剤ガスの流量が低流量で、且つ、遠心式コンプレッサ４における圧力比が高い運転条件１のときにおいて、図５（Ａ）に示すように、揺動羽根４６の内面４６ｉがインペラ部４２の外周部４２ａに接近して外周部４２ａを覆うように、揺動羽根４６が枢支軸４６ｅを中心として矢印Ｙ１方向に向けて揺動する。
【００３５】
すなわち、この場合には、制御装置９０により調圧部３５が操作され、調圧部３５の入口側の一次圧Ｐ１は、調圧部３５の出口側の二次圧Ｐ２よりもかなり大きく設定される（Ｐ１＞＞Ｐ２）。これにより付勢力ＦＡ＞＞付勢力ＦＢとなる。この結果、図５（Ａ）に示すように、揺動羽根４６の内面４６ｉがインペラ部４２の外周部４２ａに相対的に接近して外周部４２ａを覆うように、揺動羽根４６の一端部４６ａが枢支軸４６ｅを中心として矢印Ｙ１方向に向けて揺動する。この結果、図５（Ａ）に示すように、揺動羽根４６は位置１となり、インペラ部４２の外周部４２ａに沿った形状となる。この場合、揺動羽根４６の一端部４６ａはインペラ部４２の外周部４２ａに相対的に接近している。この場合、インペラ部４２および配管におけるサージ現象が抑えられていることが実機試験により本発明者等により確認されている。
【００３６】
このように揺動羽根４６が位置１のときにおいてサージ現象が抑えられる理由としては、次のように推察される。すなわち、上記した場合において、インペラ部４２の回転に伴い、インペラ部４２から中間通路４０６に送り出される酸化剤ガスは、インペラ部４２の放射方向に沿った速度成分よりも、インペラ部４２の外周部４２ａの接線方向に沿って速度成分が占める割合が高くなるため、このような酸化剤ガスの流れに対して位置１の揺動羽根４６が対応しており、酸化剤ガスの流れが円滑になるためと推察される。
【００３７】
また、燃料電池１の酸化剤極１２に供給される酸化剤ガスの流量が高流量のときにおいて、殊に、燃料電池１の酸化剤極１２に供給される酸化剤ガスの流量が高流量で、且つ、遠心式コンプレッサ４における圧力比が低い運転条件２のときには、図５（Ｃ）に示すように、揺動羽根４６の一端部４６ａがインペラ部４２の径方向においてインペラ部４２の外周部４２ａから遠ざかるように、揺動羽根４６の一端部４６ａが枢支軸４６ｅを中心として矢印Ｙ２方向に向けて揺動される。
【００３８】
すなわち、この場合には、制御装置９０からの指令により調圧部３５が操作され、調圧部３５の入口側の一次圧Ｐ１は、調圧部３５の出口側の二次圧Ｐ２と同程度となる（Ｐ１≒Ｐ２，Ｐ１＝Ｐ２）。これによりＦＢ＞＞ＦＡとなる。この結果、図５（Ｃ）に示すように、揺動羽根４６の内面４６ｉがインペラ部４２の外周部４２ａから遠ざかるように、揺動羽根４６の一端部４６ａが枢支軸４６ｅを中心として矢印Ｙ２方向に向けて揺動する。この結果、揺動羽根４６の一端部４６ａは位置２となる。この場合、図５（Ｃ）に示すように、揺動羽根４６の一端部４６ａは矢印Ｙ２方向（インペラ部４２の径外方向）に向けて揺動しているため、インペラ部４２の径方向においてインペラ部４２の外周部４２ａから相対的に遠ざかっている。すなわち、揺動羽根４６はインペラ部４２の放射方向に沿う姿勢とされている。
【００３９】
上記したように酸化剤ガスの流量が高流量で且つ圧力比が低い運転条件２のときにおいて、インペラ部４２の回転に伴い、インペラ部４２から中間通路４０６に送り出される酸化剤ガスは、インペラ部４２の外周部４２ａの接線方向に沿った速度成分よりも、インペラ部４２の外周部４２ａの放射方向に沿った速度成分が占める割合が高くなる。従って、位置２における揺動羽根４６がこのような酸化剤ガスの流れに対応している。
【００４０】
また、燃料電池１の酸化剤極１２に供給される酸化剤ガスの流量が中流量のときには、殊に、燃料電池１の酸化剤極１２に供給される酸化剤ガスの流量が中流量で、且つ、遠心式コンプレッサ４における圧力比が中程度の運転条件３のときには、制御装置９０からの指令により調圧部３５が操作され、調圧部３５の入口側の一次圧Ｐ１は、調圧部３５の出口側の二次圧Ｐ２よりも高くされる（Ｐ１＞Ｐ２）。これによりＦＢ＞ＦＡとなる。この結果、図５（Ｂ）に示すように、揺動羽根４６が位置１と位置２との中間の位置３となるように、揺動羽根４６の一端部４６ａが枢支軸４６ｅを中心として揺動される。
【００４１】
以上説明したように本実施形態によれば、サージ現象が発生頻度が高いときにおいて、揺動羽根４６は位置１に切り替えられる。このため、インペラ部４２および配管におけるサージ現象が抑えられている。
【００４２】
すなわち、酸化剤ガスの流量が低流量のときにおいて、殊に、酸化剤ガスの流量が低流量で、且つ、遠心式コンプレッサ４における圧力比が高い運転条件１のときにおいて、揺動羽根４６は位置１に切り替えられる。このため、インペラ部４２および配管におけるサージ現象が抑えられている。
【００４３】
なお、本実施形態において、低流量および高流量は相対的なものであり、圧力比の高低も相対的なものであり、燃料電池システム等の事情に応じて設定される。ここで、低流量の領域は、高流量の領域よりも相対的に流量が低い領域に相当する。高流量の領域は、低流量の領域よりも相対的に流量が高い領域に相当する。また、圧力比が高い領域は、圧力比が低い領域よりも高い領域に相当する。圧力比が低い領域は、圧力比が高い領域よりも低い領域に相当する。
【００４４】
ところで、作動機構５０に装備されているダイヤフラム５０５に代えて、第１室５０２および第２室５０３の差圧ΔＰに基づいて、ピストンを往復移動させることも考えられる。この場合、ピストンが移動するときにおける壁部材５０１の内周部とピストンの外周部との間における摩擦抵抗が無視できない。この点について本実施形態によれば、前述したように、可動部５０４のダイヤフラム５０５は膜状をなしており、第１室５０２に対面する第１表面５０５ｆと、第２室５０３に対面する第２表面５０５ｓとを有する。揺動羽根４６を揺動させるにあたり、第１室５０２および第２室５０３の差圧ΔＰに基づいて、弾性変形可能なダイヤフラム５０５は弾性変形する。ここで、摩擦摺動を発生させるピストンによる往復移動に比較すると、ダイヤフラム５０５の弾性変形は曲げ変形するものの、実質的に摩擦摺動しないため、摩擦抵抗が少なくなる。故に、小さな力でダイヤフラム５０５が弾性変形することができる。この結果、第１室５０２および第２室５０３の差圧ΔＰに基づいてダイヤフラム５０５は弾性変形し易くなり、このため羽根駆動部５を駆動させるロスを低減でき、揺動羽根４６を円滑に揺動させ易い利点が得られる。
【００４５】
更に本実施形態によれば、第１室５０２および第２室５０３に供給されるガスは燃料ガスではなく、酸化剤ガス（酸素ガスまたは酸素含有ガス）であるため、万一、第１室５０２および第２室５０３からのガス漏れがあったとしても特段の支障がない。
【００４６】
更に本実施形態によれば、第２室５０３に圧縮状態に配置されている調整バネ５５５のバネ力を適宜調整すれば、燃料電池システムの事情等に応じて、揺動羽根４６の揺動角度を調整することができる。
【００４７】
（実施形態２）
実施形態２は実施形態１と基本的には同じ構成であるため、図面を準用する。但し、作動機構５０に装備されているダイヤフラム５０５に代えて、第１室５０２および第２室５０３の差圧ΔＰに基づいて、ピストンを往復移動させることにしている。
【００４８】
（その他）
上記した実施形態によれば、調圧部３５の一次圧Ｐ１が作動機構５０の第１室５０２に作用し、調圧部３５の二次圧Ｐ２が作動機構５０の第２室５０３に作用するが、これに限らず、調圧部３５の一次圧Ｐ１が作動機構５０の第２室５０３に作用し、調圧部３５の二次圧Ｐ２が作動機構５０の第１室５０２に作用することにしても良い。第２室５０３に圧縮状態の調整バネ５５５が配置されているが、第２室５０３に配置することにしても良い。要するに、調圧部３５の前後において差圧ΔＰを発生させ、差圧ΔＰに応じて作動機構５０の可動部５０４を動作させ、可動部５０４の動作に応じて揺動羽根４６をインペラ部４２の外周部４２ａに対して相対的に揺動させる構造であれば良い。
【００４９】
上記した実施形態では、揺動羽根４６を揺動させるにあたり、ピン状の係合部５５３が溝状の被係合部４６３に沿って移動するが、これに限らず、溝状の係合部５５３がピン状の被係合部４６３に沿って移動することにしても良い。
【００５０】
調圧部としては、圧力損失により、調圧部の出口側の二次圧Ｐ２を一次圧Ｐ１よりも低い圧力にできるものであれば、調圧部の構造は限定されず、可変オリフィスでも良い。
【００５１】
本発明は上記し且つ図面に示した実施形態のみに限定されるものではなく、要旨を逸脱しない範囲内で適宜変更して実施できる。燃料電池としては、固体高分子型の燃料電池、リン酸型の燃料電池、固体酸化物型の燃料電池に適用することもできる。本発明は燃料電池システム以外の流体システムに適用することも可能である。本明細書における記載から次の技術的思想も把握される。
【００５２】
［付記項１］ガスを通過させるガス通路と、ガス通路に設けられガスを搬送させる遠心式コンプレッサとを具備しており、遠心式コンプレッサは、吸引室と吐出室と吸引室と吐出室とを連通する中間通路とを有するハウジングと、ハウジングの吸引室に回転可能に設けられ回転に伴い吸引室から吸引した酸化剤ガスを遠心方向に流すインペラ羽根を有するインペラ部と、インペラ部を回転させる駆動部と、一端部がインペラ部からこれの径外方向に遠ざかる方向および径内方向に近づく方向に揺動可能となるように中間通路に設けられた揺動羽根と、揺動羽根を揺動させる羽根駆動部とを具備する流体システム。揺動羽根が中間通路において揺動すれば、サージ現象が抑制される。
【００５３】
［付記項２］吸引室と吐出室と吸引室と吐出室とを連通する中間通路とを有するハウジングと、ハウジングの吸引室に回転可能に設けられ回転に伴い吸引室から吸引した酸化剤ガスを遠心方向に流すインペラ羽根を有するインペラ部と、インペラ部を回転させる駆動部と、一端部がインペラ部からこれの径外方向に遠ざかる方向および径内方向に近づく方向に揺動可能となるように中間通路に設けられた揺動羽根と、揺動羽根を揺動させる羽根駆動部とを具備する遠心式コンプレッサ。揺動羽根が中間通路において揺動すれば、サージ現象が抑制される。
【００５４】
［付記項３］付記項２において、羽根駆動部は、空間をもつ壁部材と空間を第１室と第２室を仕切り且つ第１室および第２室の差圧に応じて動作する可動部とを有する作動機構と、作動機構の可動部に接続され可動部の動作に応じて揺動羽根を揺動させる動力伝達部とを有する遠心式コンプレッサ。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明は例えば車両用、定置用、電気機器用、電子機器用、可搬用等の燃料電池システムに適用できる。更に、車両用ターボチャージ、工場プラントのガス圧縮機等の他の流体システムに適用することもできる。
【図面の簡単な説明】
【００５６】
【図１】実施形態１に係り、燃料電池システムを模式的に示すシステム図である。
【図２】実施形態１に係り、ターボ圧縮機を模式的に示す断面図である。
【図３】実施形態１に係り、ターボ圧縮機に設けられている揺動羽根の揺動機構を模式的に示す構成図である。
【図４】実施形態１に係り、ターボ圧縮機の運転特性を模式的に示すグラフである。
【図５】（Ａ）（Ｂ）（Ｃ）は実施形態１に係り、ターボ圧縮機に設けられている揺動羽根の作用を模式的に示す図である。
【符号の説明】
【００５７】
図中、１は燃料電池、１１は燃料極、１２は酸化剤極、２は燃料通路、３は酸化剤通路、３０は上流通路、３２は下流通路、３５は調圧部（調圧部）、４は遠心式コンプレッサ（遠心式ガス搬送源）、４０はハウジング、４０４は吸引室、４０５は吐出室、４０６は中間通路、４２はインペラ部、４５は駆動部、４６は揺動羽根、５は羽根駆動部、５０は作動機構、５００は空間、５０１は壁部材、５０２は第１室、５０３は第２室、５０４は可動部、５０５はダイヤフラム、５０６はロッド部、５５は動力伝達部、５５１は作動体、５５３は係合部を示す。
【図１】
2010050022.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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